Study of plasma interaction with yeast Candida glabrata

Predmetom tejto diplomovej práce je štúdium účinkov vybraných nízkoteplotných výbojov na kvasinku Candida glabrata (C. glabrata). Technológia nízkoteplotnej plazmy generovanej pri atmosférickom tlaku (CAPP) si v posledných rokoch získala veľkú pozornosť vďaka mnohým pozitívnym atribútom, medzi ktoré patrí vysoká účinnosť na širokú škálu mikroorganizmov, prevádzková jednoduchosť, ekonomická nenáročnosť a tiež šetrnosť k životnému prostrediu. Táto inovatívna technológia CAPP sa skúma najmä v rámci aplikácií na liečbu rakoviny a povrchových infekcií, a taktiež pre účely sterilizácie v oblasti medicíny, potravinárstva či poľnohospodárstva. Počas poslednej dekády boli skúmané účinky a mechanizmy inaktivácie baktérií a tumorových buniek, avšak účinky a mechanizmy inaktivácie húb zatiaľ nie sú dostatočne objasnené. Zámerom tejto práce je teda overenie účinkov viacerých typov nízkoteplotných výbojov na modelovo vybranú kvasinku C. glabrata, optimalizácia nastavení základných parametrov procesu a rozšírenie vedomostí o antimykotických účinkoch CAPP. V rámci tejto štúdie bolo testovaných 5 rôznych výbojov: mikrovlnný výboj budený povrchovou vlnou v podobe plazmovej trysky, fakľový výboj s priamym prúdením plynu, prechodová iskra, korónový výboj v podobe korónového pera a tiež dielektrický bariérový výboj (DBD) v podobe DBD pera. Všetky výboje boli testované priamou aplikáciou na 24 hodinové inokulum naočkované na agarových platniach. Výsledky boli vyhodnotené na základe veľkosti a stability vytvorených inhibičných zón v post-aplikačnej kultivácii. Z jednotlivých meraní boli stanovené optimálne podmienky na testovanie inhibičných efektov nízkoteplotných výbojov na vybranú kvasinku. Za najefektívnejšie výboje na inhibíciu kvasiniek C. glabrata boli zvolené mikrovlnné výboje: fakľový výboj s priamym prúdením plynu a mikrovlnný výboj s povrchovou vlnou, s ktorými meranie pokračovalo v upravených podmienkach zodpovedajúcich vybranej aplikácii, a to sterilizácii povrchových infekcií živých organizmov. Ako najúčinnejší výboj na potenciálnu liečbu povrchových infekcií bol vybraný fakľový výboj. Skúmaný bol tiež nepriamy účinok plazmy, a to použitím plazmou aktivovanej kvapaliny (PAL) na naočkovanú kvasinkovú kultúru. PAL bola pripravovaná pomocou 3 rôznych výbojov: dielektrického bariérového výboja (DBD), fakľového výboja a elektrického výboja v kvapaline. Výsledky tejto práce dokazujú významný inhibičný vplyv nízkoteplotnej plazmy na kvasinku C. glabrata, v medziach in vitro kultivácie a tzv. 2D biológie. Veľkosť inhibičných účinkov je priamo úmerná dobe pôsobenia výboja, veľkosti použitého výkonu a tiež plošnej veľkosti použitého výboja. V rámci počiatočnej koncentrácie buniek je táto úmera nepriama, avšak je možné tiež konštatovať, že tento faktor je v porovnaní s ostatnými skúmanými faktormi menej významný. Z pozorovaní účinkov nepriameho pôsobenia plazmy vyplýva, že PAL má na C. glabrata inhibičné účinky, avšak zvolené podmienky pri jednorazovej aplikácii PAL nie sú na úplnú inhibíciu kvasiniek C. glabrata dostatočné.The main subject of this diploma thesis is the study of low temperature discharges´ effects on the yeast Candida glabrata (C. glabrata). Cold atmospheric-pressure plasma (CAPP) technology has achieved a great deal of attention in recent years, due to its positive attributes, including high efficiency against a wide range of microorganisms, ease of operation, economic simplicity and also environmental friendliness. The research of CAPP focuses mainly on the applications involving the treatment of cancer and superficial infections as well as sterilization technologies in medicine, food and agriculture. Various effects and also some mechanisms of inactivation of bacteria and tumor cells have been explained over the last decade but the effects and mechanisms of fungi inactivation have not yet been sufficiently investigated. The aim of this work is to verify the effects of chosen low-temperature discharges on the model yeast example C. glabrata, in order to establish basic plasma set-up for further studies and experiments in vivo and to expand a global knowledge about the antifungal effects of CAPP. In this study, 5 different discharges, namely: microwave (unipolar and surface wave) in the form of plasma torch, transient spark, corona discharge in the form of corona pen and dielectric barriere discharge (DBD) in the form of DBD pen were tested. All discharges were tested by direct application onto a 24-hour inoculum of C. glabrata inoculated on agar plates. The results were evaluated based on the size and stability of the inhibition zones formed in the post treatment cultivation. From the individual measurements optimal conditions for testing the inhibitory effects of low temperature discharges on the selected yeast were determined. The microwave discharges (unipolar and surface wave) were chosen to be the most effective in the inhibition of C. glabrata. The measurements were therefore pursued with these discharges under selected conditions corresponding to chosen application of sterilization of surface infections in living organisms. The unipolar microwave discharge was chosen to be the most effective discharge for the potential treatment of superficial candidiasis. The indirect effect of plasma was also investigated using plasma activated liquid (PAL) on inoculated yeast culture. PAL was prepared using 3 different discharges: Dielectric Barrier Discharge (DBD), Unipolar Microwave Discharge and Electric Discharge in Liquid. The results of this work prove significant inhibitory effects of CAPP on the yeast C. glabrata, within the limits of in vitro cultivation and the so-called flat biology. The overall inhibitory effects are directly proportional to the irradiation time, the magnitude of applied power and also the area covered by the discharge. In terms of the initial cell concentration an indirect dependency can be observed, but it can also be stated that this factor is less significant compared to the other examined factors. Observations of the effects of plasma activated liquid (PAL) indicate that a single application of PAL under selected conditions is not alone enough for successful inhibition of C. glabrata.